西曲矿12312 工作面回采巷道围岩支护优化研究

要华伟

（霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400）

0 引 言

三软煤层为煤体、顶底板均为软岩的煤层，随着矿井开采深度增加，三软煤层开采量呈增加趋势[1～2]。在三软煤层中掘进巷道时，受到巷道顶底板强度低、煤层松软及容易垮落等因素影响，巷道围岩变形呈顶底板、巷帮变形量大，变形速度快等特点，从而给巷道围岩控制带来较大挑战[3～4]。文中就以西曲矿12312 工作面回风巷掘进为工程背景，在分析巷道围岩变形特征基础上，提出采用架棚、锚杆索、注浆技术对围岩进行控制，现场取得较好应用效果。

1 工程概况

12312 工作面沿2.3 号煤层施工，2.3 号煤厚度稳定，煤厚平均4.57 m，倾角2°～7°，一般为4°，开采范围内地质构造条件中等。根据有资料显示，回风巷掘进至62 m 处揭F1356 断层，落差6.0 m，该断层走向与巷道走向大致平行，落差大、伴生构造较多，建议施工队组加强顶底板及侧帮支护。另外，工作面施工区域2.3 号煤上部03 号煤层间距较薄（1.2～3.3 m），建议施工队组加强顶板管理及支护。2.3 号煤直接顶板为1.23 m 的泥岩，直接底板为2.63 m 长石英细粒砂岩,顶底板岩性参数见图1。

图1 2.3 号煤层顶底板岩性

12312 回风巷掘进采用综掘方式，EBZ-160 综掘机割煤、转载，DSJ800/30/2×22 胶带输送机、SJ-80S 胶带输送机、DSJ800/30/2×11 胶带输送机运煤。

受到12312 回风巷顶底板岩性松软以及煤体自身裂隙发育等因素影响，12312 回风巷均过程中存在围岩变形严重、控制困难等问题，给巷道安全高效掘进带来较大制约。

2 巷道围岩变形特征分析

12312 回风巷直接顶为泥岩、03 号煤层粉砂岩等互层，直接底为黏土岩以及砂质泥岩，顶底板岩层强度以及承载能力均较低。巷道在掘进、支护完成后围岩变形表现如下特征[5～6]：

12312 回风巷埋深平均为210 m，构造应力以及地应力对围岩变形影响不显著。12312 回风巷在掘进完成1～2 个月时间内，围岩快速变形，甚至部分位置巷道持续变形时间超过6 个月。根据巷道围岩变形监测数据显示，回风巷在掘进及支护完成的15 d 内，变形速度可达到38 mm/d，初期变形量可达到围岩变形总量的60 %以上，具体回风巷220 m 位置支护完成2 个月后现场情况见图2 所示。巷道顶底板以及巷帮均表现出较大变形，其中顶底板变形量超过1 000 mm、巷帮收敛量超过1 300 mm，在后期需要对巷道进行频繁修整并采用单体支柱控制顶底板变形，修复工程量繁重、投入高。

图2 巷道围岩变形现场图

3 巷道围岩支护优化

3.1 巷道原支护设计

顶锚杆：采用φ20 mm×1800 mm 的无纵肋螺纹钢锚杆，使用碟形铁托片，采用全长锚固。顶锚杆为矩形布置，每排打设4 根。顶板锚杆用长3.9 m 钢带连接。

顶锚索：钢绞线，规格φ21.6 mm×6 200 mm，排距为2.0 m×3.0 m。

帮锚杆：煤柱帮为φ20 mm×1 800 mm 的螺纹钢锚杆，回采帮为φ20 mm×1 800 mm 玻璃钢锚杆；帮锚杆布置3 排、呈五花形，排距为1.0 m×1.0 m，顶板下0.6 m 布置第一排锚杆。巷帮挂铁丝网，规格为2.3 m×4.0 m。具体巷道支护设计见图3。

图3 巷道原支护设计断面图（单位：mm）

3.2 支护优化

由于巷道在原支护方式下存在围岩变形严重问题，为此根据顶底板以及煤层松软特征，结合工程类比法[7-8]对巷道支护进行优化，具体采用架棚+锚杆索+注浆联合支护方式支护围岩，巷道围岩控制以梯形铁棚支护为主,以锚杆索、注浆支护为辅。具体优化后的断面支护见图4 所示。为了有效控制顶板离层,减轻顶板上覆岩层对棚梁的压力,并保证回采顺利以及回收铁棚时的安全，巷道支护在采用铁棚支护的同时，在铁棚中间采用φ20 mm×1 800 mm的中空注浆锚杆对顶板进行加固, 达到组合梁的目的，以提高顶板的自承能力。

图4 优化后的巷道支护断面（单位：mm）

架棚为11 号矿用工字钢, 棚梁长3.5 m（净宽3.3 m）、棚腿长为3.4 m（净高3.2 m），棚距为1.0 m，盘帮勾顶为盘6 勾6，棚子间两梁头及两棚腿底部各打设1 根撑木，规格为：1.0 m×0.05 m×0.05 m 的红松；棚腿柱窝深度：150 mm。每架棚子间打设4 根φ20 mm×1 800 mm 无纵筋螺纹钢锚杆（根据巷道顶板岩性变化，若锚杆顶端为03 号煤层则锚杆规格改为φ20 mm×2 400 mm），间排距1.0 m×1.0 m。锚索为钢绞线，规格φ21.6 mm×6 200 mm，间排距2.0 m×3.0 m。具体支护使用的材料见表2 所示。在架棚、锚杆索支护基础上，为进一步提升顶板岩层承载能力以及顶板稳定性，在巷道顶板按照 2 m×2 m 间排距布置注浆钻孔，钻孔孔径42 mm、深度2 500 mm，注浆压力设计为3.0 MPa，注浆材料为水泥单液浆。注浆时应密切关注注浆压力以及顶板浆液渗漏情况。

表2 支护材料及规格

3.3 巷道围岩支护优化效果

布置测点监测围岩变形，并对比原支护以及优化后巷道围岩变形情况，具体见图5 所示。

图5 巷道围岩优化支护效果

从图5 看出，支护初期巷道围岩变形增加速度较快，但是最大为9.5 mm/d，支护完成20 d 后围岩变形即趋于稳定，最终巷道顶底板变形量稳定在243 mm、巷帮收敛量稳定在265 mm。相对于原支护方案，优化后的顶板变形量降低78 %以上、巷帮收敛量降低81%。12312 回风巷采用架棚、锚杆索、注浆支护方案后，巷道顶底板、巷帮变形问题得以有效控制。

4 总 结

1）12312 回风巷沿着2.3 号煤层顶板掘进，受到顶底板以及煤层自身松软影响，巷道采用锚网索支护时围岩变形量较大，其中顶底板、巷帮变形量分别可达1 000 、1 300 mm 以上，需要频繁对巷道修整，给巷道后续掘进以及使用带来较大制约。

2）在分析回风巷围岩变形特征基础上，提出采用架棚+锚杆索+注浆方式对巷道支护参数进行优化，并对优化后的支护方案进行设计。现场应用后，12312 回风巷顶底板、巷帮变形量分别控制在243 、265 mm 以内，顶底板、巷帮变形量较优化前分别降低78%、81%以上。